Là một chuyển mạch điều chỉnh , mạch này có hiệu suất cao và sẽ không lãng phí hoặc tiêu tán năng lượng, không giống như các bộ điều chỉnh tuyến tính như IC 7812, hoặc IC LM317 hoặc IC LM338.
Tại sao Bộ điều chỉnh tuyến tính như 7812, LM317 và LM338 là Bộ chuyển đổi bước xuống kém?
Bộ điều chỉnh tuyến tính như 7812 và LM317 được coi là bộ chuyển đổi bước xuống không hiệu quả do đặc điểm hoạt động của chúng.
Trong bộ điều chỉnh tuyến tính, điện áp đầu vào dư thừa bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Điều này ngụ ý rằng sự sụt giảm điện áp giữa các đầu vào và đầu ra chỉ đơn giản là 'đốt cháy' dưới dạng năng lượng lãng phí. Bộ điều chỉnh tuyến tính hoạt động bằng cách hoạt động như một biến trở, điều chỉnh điện trở của nó để tiêu tán năng lượng dư thừa và điều chỉnh điện áp đầu ra.
Quá trình tiêu tán này dẫn đến tổn thất điện năng đáng kể và hiệu quả thấp. Hiệu quả của bộ điều chỉnh tuyến tính được xác định bởi tỷ lệ giữa công suất đầu ra và công suất đầu vào. Khi chênh lệch điện áp đầu vào-đầu ra tăng lên, năng lượng tiêu hao dưới dạng nhiệt, là chênh lệch điện áp nhân với dòng điện đầu ra, cũng tăng lên. Do đó, hiệu quả giảm dần khi chênh lệch điện áp giữa đầu vào và đầu ra tăng lên.
Chẳng hạn, khi sử dụng bộ điều chỉnh tuyến tính để điều chỉnh đầu vào 24 V xuống còn 12 V, 12 V dư thừa sẽ tiêu tan dưới dạng nhiệt. Điều này có thể dẫn đến lãng phí điện năng đáng kể và cần có cơ chế làm mát bổ sung trong các ứng dụng liên quan đến công suất cao.
Ngược lại, bộ điều chỉnh chuyển mạch (chẳng hạn như buck chuyển đổi ) hiệu quả hơn đối với chuyển đổi từng bước. Họ sử dụng sự kết hợp của cuộn cảm, tụ điện và công tắc để chuyển đổi điện áp một cách hiệu quả.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch lưu trữ năng lượng trong một giai đoạn của chu kỳ chuyển mạch và phân phối nó trong một giai đoạn khác, do đó giảm thiểu sự tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt. Tùy theo thiết kế cụ thể, bộ điều chỉnh chuyển mạch có thể đạt hiệu suất từ 80-95% hoặc thậm chí cao hơn.
Tóm lại, mặc dù các bộ điều chỉnh tuyến tính như 7812 và LM317 đơn giản và tiết kiệm chi phí, nhưng chúng không phải là lựa chọn hiệu quả nhất cho chuyển đổi bậc thang khi hiệu suất năng lượng là mối quan tâm đáng kể.
Mô tả mạch
Hình dưới đây cho thấy sơ đồ cơ bản của bộ chuyển đổi 24 V sang 12 V.
Bộ điều chỉnh chuyển mạch được sử dụng là kiểu phổ biến của Motorola: µA78S40.
Hình dưới đây trình bày cấu trúc bên trong của mạch tích hợp này, bao gồm nhiều thành phần cần thiết khác nhau cho bộ điều chỉnh chuyển mạch: bộ tạo dao động, flip-flop, bộ so sánh, nguồn tham chiếu điện áp, trình điều khiển và bóng bán dẫn chuyển mạch.
Ngoài ra, có một bộ khuếch đại hoạt động không cần thiết cho ứng dụng này. Việc lọc và làm mịn nguồn điện được xử lý bởi các tụ điện từ C3 đến C7.
Tụ điện C1 xác định tần số của bộ dao động, trong khi các điện trở R1, R5 và R6 giúp hạn chế dòng điện đầu ra của bộ chuyển đổi.
Điện áp trên điện trở R1 tỷ lệ thuận với dòng điện được cung cấp bởi bộ chuyển đổi.
Bằng cách đặt chênh lệch điện áp khoảng 0,3 V giữa các chân 13 và 14 của µA78S40, các điện trở R6 và R7 tạo ra một bộ chia điện áp, cho phép giới hạn dòng điện xảy ra ở khoảng 5A.
Nguồn tham chiếu điện áp, được tách rời bởi tụ điện C2, có sẵn ở chân 8 của IC1.
Điện áp tham chiếu này được áp dụng cho đầu vào không đảo của bộ so sánh bên trong IC1. Đầu vào đảo ngược được đặt thành điện thế tỷ lệ thuận với điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi.
Để duy trì điện áp đầu ra không đổi, bộ so sánh điều khiển giai đoạn đầu ra của IC1.
Cả hai đầu vào của bộ so sánh được duy trì ở cùng một điện thế và điện áp đầu ra được cho bởi công thức sau:
Vs = 1,25 * [1 + (R4 + Aj1)/R5].
Điện trở điều chỉnh Aj1 cho phép điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi trong khoảng +10V đến +15V.
Hai bóng bán dẫn đầu ra tạo thành một cặp Darlington và quá trình chuyển đổi liên tiếp của chúng được điều khiển bởi flip-flop đồng bộ với các dao động của tụ điện C1.
Kết hợp với cổng AND, flip-flop này được điều khiển bởi bộ so sánh để điều chỉnh thời gian dẫn của giai đoạn đầu ra của µA78S40 và duy trì điện áp đầu ra không đổi.
Trạng thái bão hòa hoặc bị chặn của bóng bán dẫn T1 tuân theo trạng thái của cặp Darlington của IC1. Khi giai đoạn đầu ra của IC1 bão hòa, bóng bán dẫn T1 bị sai lệch và dòng cơ sở của nó bị giới hạn bởi điện trở R2.
Điện trở R3 cùng với điện trở R9 tạo thành một bộ chia điện áp, hạn chế điện áp VBE của bóng bán dẫn T1 khi bắt đầu quá trình chuyển mạch.
Bóng bán dẫn T1, hoạt động như một mô hình Darlington, hoạt động như một công tắc đóng hoặc mở ở tần số của bộ tạo dao động của µA78S40.
Cuộn cảm L1 cho phép giảm điện áp từ 24V xuống 12V bằng cách sử dụng các đặc tính của điện cảm. Ở trạng thái ổn định, khi bóng bán dẫn T1 bão hòa, điện áp +12V được đặt trên cuộn cảm L1.
Trong giai đoạn này, cuộn cảm lưu trữ năng lượng, năng lượng này sẽ giải phóng khi điện áp đặt vào biến mất. Do đó, khi bóng bán dẫn T1 bị chặn, cuộn cảm L1 có xu hướng duy trì dòng điện chạy qua nó.
Điốt D1 trở nên dẫn điện và xuất hiện một suất điện động ngược -12V trên cuộn cảm L1.
